高密脑电图帽、头皮和脑内脑电信号同步采集装置及方法

1.本发明涉及医疗器械领域，具体地涉及可以用于同时采集头皮和脑内脑电信号的高密脑电图帽以及包括该高密脑电图帽的头皮和脑内脑电信号同步采集装置及方法。


背景技术：

2.随着生物电子和计算机技术的发展，基于头皮、皮层脑电数据的应用研究取得了一些成果。例如基于脑电图的癫痫诊断，以及基于皮层脑电的想象运动等脑机接口应用。目前，脑电图帽仍然是脑电采集装置的重要组成部分，具有无创、便捷、通道多的优点，其关系到脑电数据的采集性能，将直接影响后续的分析处理。
3.为了在脑深部和皮层的环路进行脑疾病、脑科学研究，需要同步采集高密头皮脑电和脑深部信号，但是传统的电极帽无法兼顾脑深部信号的采集，此外给外挂期病人使用传统脑电图帽，会增加感染的风险。
4.因此，需要开发一种可以同时采集头皮和脑内脑电信号的高密脑电图帽以及包括该高密脑电图帽的头皮和脑内脑电信号同步采集装置。


技术实现要素：

5.为实现上述目的，本发明提供了一种高密脑电图帽以及包括该高密脑电图帽的头皮和脑内脑电信号同步采集装置及方法。
6.在第一个方面，本发明提供了一种高密脑电图帽，可以用于同时采集头皮和脑内脑电信号。所述高密脑电图帽包括帽体、电极和下颌托带。所述帽体用于佩戴在测试者的头部。所述电极按照高密脑电64导联布局布设在所述帽体的内表面。在所述帽体上设置有开窗，所述开窗被构造成仅暴露与高密脑电64导联的f1,fc1,c1导联和/或f2,fc2,c2导联对应的区域。所述下颌托带固定连接到所述帽体的底部，在使用时下颌托带承托于测试者的下颌以固定所述高密脑电图帽。所述高密脑电图帽还包括遮蔽部件，所述遮蔽部件用于开放或遮蔽所述开窗。
7.本发明中使用的高密脑电图帽帽体可以采用布料、皮革、橡胶、聚合物、无纺布等材质制成，优选采用轻薄透气的高分子复合材料或无纺布制成，也可以采用弹性材质编织制成。
8.在本发明中，脑电图帽中电极所采用的高密脑电64导联布局除了常规的脑电62导联电极以外还包括布置在对应两侧乳突处的电极a1和a2(可参见图1)，即包括62个脑电导联电极和两个乳突导联电极a1和a2。
9.在一个实施方案中，所述帽体上设置两个开窗，所述两个开窗分别沿所述帽体的矢状轴对称地布置在所述矢状轴的两侧，且所述高密脑电图帽包括两个遮蔽部件，每个遮蔽部件分别遮蔽一个开窗。
10.在本发明中，开窗的形状不受限制，只要它所暴露的区域仅包括高密脑电图64导联的f1,fc1,c1导联和/或f2,fc2,c2导联对应的区域即可，优选为长方形。具体来说，在为
长方形形状的情况下，所述开窗的长边径一般可以设为8-10cm，短边为2-3cm。
11.在一个优选实施方案中，所述遮蔽部件可以是拉链连接件。具体来说，所述拉链连接件可以包括链牙、拉头和链带，所述链带与所述开窗的边缘连接从而固定连接在所述帽体上，所述链牙和所述拉头相互配合以开放或遮蔽所述开窗。
12.在本发明中，拉链连接件可以采用常见的各种拉链结构，优选链带是由棉纱、化纤或混合化纤织成的柔性带，例如尼龙拉链。链牙和拉头优选由塑料制成，更优选采用医用塑料制成，例如聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。在外挂期使用时，从颅顶切口引出的脑内脑电测量电极可以通过拉链连接件固定在拉链的任一侧。
13.在一个优选实施方案中，高密脑电图帽还包括两个固定部件，所述固定部件设置在所述帽体的外表面上，并且邻近每个开窗的一侧设置。要理解的是，所述固定部件设置的目的是进一步稳固由拉链连接件固定的脑内脑电测量电极，以防止其受过度牵拉而发生轴向移动。在本发明中，固定部件可以采用常用的固定线缆或电极的结构，例如，卡扣，束线带，鱼骨绕线器等。
14.在第二个方面，本发明提供了一种头皮和脑内脑电信号同步采集装置，所述装置包括本发明的高密脑电图帽、一个或多个脑内脑电测量电极和信号处理装置，其中所述高密脑电图帽的电极和所述脑内脑电测量电极与所述信号处理装置电连接。
15.在本发明中，所述脑电测量电极被配置成被布置在脑内用于采集脑内脑电信号，其中所述脑内脑电信号包括大脑皮层或深部核团的脑电信号。
16.在一个实施方案中，所述信号处理装置包括：
17.1)接收模块，所述接收模块被配置成接收由所述高密脑电图帽的电极采集的原始头皮脑电信号；
18.2)头皮信号补偿模块，所述头皮信号补偿模块被配置成获取从所述接收模块接收到的原始头皮脑电信号，根据所述高密脑电图帽的电极采集的原始头皮脑电信号重建f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的信号作为所述f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的补偿信号，
19.3)头皮信号合并模块，所述信号合并模块被配置成将原始头皮脑电信号和由所述头皮信号补偿模块重建的所述补偿信号合并作为经补偿的完整头皮脑电信号输出，
20.4)输出模块，所述输出模块被配置成接收由所述信号合并模块输出的经补偿的完整头皮脑电信号和所述脑内脑电信号，并一同发送至脑电分析系统。
21.在一个实施方案中，所述高密脑电图帽的电极采集的原始头皮脑电信号是58个电极采集的头皮脑电信号。要注意的是，由于本发明的高密脑电帽缺少了与f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联对应的电极，因此采集的原始头皮脑电信号不包括f1,fc1,c1，f2,fc2,c2电极所采集的信号，而是其他56个电极加上乳突电极a1和a2所采集的原始头皮脑电信号，而最终经补偿的完整头皮脑电信号则包含对应64导联的头皮脑电信号。
22.在一个优选实施方案中，所述头皮信号重建模块重建f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的信号可以采取如下步骤来实现：首先提取不包括乳突电极的56个电极所采集的原始头皮脑电信号，根据所述56电极的分布坐标重建62个脑电导联的信号，然后从中获得对应f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的信号作为f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的补偿信号。优选地，所述根据56个电极的分布坐标重建部分电极信号的方法可以采用球面曲面法和脑正电模型来计算。在此情况下，所述重建信号步骤可以借助eeglab,mne，fieldtrip脑电工作包中的内置
函数工具来完成。
23.在另一个优选实施方案中，在不需要精确信号的情况下，所述头皮信号补偿模块重建f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的信号可以采用平均法实现，即利用f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联中各个导联周围的2个或者4个导联的信号的平均值作为这些导联各自的信号值。例如，对应f1导联的脑电信号可以用从f3和fz电极采集的原始信号平均获得；对应fc1导联的脑电信号可以用从fc3和fcz电极采集的原始信号平均获得；对应c1导联的信号可以用从c3和cz电极采集的原始信号平均获得；对应f2导联的脑电信号可以用从f4和fz电极采集的原始信号平均获得；对应fc2导联的脑电信号可以用从fc4和fcz电极采集的原始信号平均获得；对应c2导联的脑电信号可以用从c4和cz采集的原始信号平均获得。
24.在一个优选实施方案中，所述信号处理装置还可以包括脑电信号放大模块和脑电信号预处理模块，所述脑电信号放大模块和脑电信号预处理模块被配置成对脑电信号分别进行放大和预处理从而获得经放大和预处理的脑电信号，其中所述预处理包括滤波、降噪和去除伪迹等。所述脑电信号可以包括头皮脑电信号和/或脑内脑电信号，但由于脑电信号相对弱且噪声大，优选对脑内脑电信号进行放大和预处理的脑电信号。因此，在一个优选的具体实施方案中，所述输出模块接收的所述脑内脑电信号是经放大和预处理的脑内脑电信号。
25.在第三个方面，本发明提供了一种头皮和脑内脑电信号同步采集方法，包括以下步骤：
26.1.接收由高密脑电图帽的电极采集的原始头皮脑电信号和由脑内脑电测量电极采集的脑内脑电信号；
27.2.根据所述高密脑电图帽电极采集的原始头皮脑电信号重建f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的信号作为所述f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的补偿信号；
28.3.将所述原始头皮脑电信号和重建的所述补偿信号合并作为经补偿的完整头皮脑电信号输出，
29.4.将所述经补偿的完整头皮脑电信号作为头皮脑电信号和脑内脑电信号一起发送至脑电分析系统进行后续分析。
30.在具体实施方案中，步骤2中的信号重建可以按照上所述的任一重建方法进行。
31.在一个实施方案中，所述头皮脑电信号和/或脑内脑电信号可以经放大和预处理，所述预处理包括滤波、降噪和去除伪迹等。
32.有益效果
33.由于脑深部电刺激手术切口通常较为固定，发明人经过测量发现该手术切口与f1、fc1、c1以及右侧的f2、fc2、c2导联位置重叠。基于此发现，发明人设计了一款可以用于同步采集头皮和脑内脑电信号的高密脑电图帽，并基于该高密脑电图帽开发了头皮和脑内脑电信号同步采集装置。
34.本发明具有以下优点：
35.1.在传统高密脑电帽的导联f1,fc1,c1，f2,fc2,c2的位置不设置电极，设置开窗，并在开窗上设置双侧拉链。这样的设计不仅方便外挂电极线的引出；还减少对于下方切口的压迫，避免了脑深部电刺激术外挂期高密脑电图记录时对患者切口带来的潜在感染风险和不适；此外，拉链拉上后整个脑电图帽存在适度的张力，电极位置保持较好，无移位。
36.2.通过对f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的信号重建来补偿缺少的这些导联的脑电信号，从而获得完整的头皮脑电信号。
37.3.能够在脑深部电刺激术外挂期同步地采集到头皮脑电信号和脑内脑电信号，这是现有常规高密脑电图帽无法实现的。
附图说明
38.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
39.图1是本发明中高密脑电64导联布局的示意图。
40.图2是本发明的高密脑电图帽的一个实施方案的示意图。
41.图3显示了在本发明的高密脑电图帽的一个实施方案中开窗的布置示意图。
42.图4是本发明的高密脑电图帽的一个实施方案的局部示意图，说明了拉链连接件、导线和固定部件的布置情况。
43.图5是患者接受脑深部电刺激术后颅顶切口的示意图。
44.图6是本发明的头皮和脑深部电信号同步采集装置的一个实施方案的结构框图。
45.图7示意性地示出了本发明的头皮和脑内脑电信号同步采集装置的一个实施方案中的信号处理流程图。
46.附图中各标记表示如下：
47.1 帽体
48.2 电极
49.3 开窗
50.4 下颌托带
51.5 固定部件
52.6 脑内测量电极
53.7 拉链连接件
具体实施方式
54.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
55.定义：
56.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“装配”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
57.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位
置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
58.矢状轴：以前后方向垂直于人体的上下方向的垂直轴的轴。
59.冠状轴：以左右方向垂直于矢状轴和垂直轴的轴。
60.需要注意的是，在本发明中，在描述脑电帽电极时，“导联”和“电极”的含义相同，有时可以互换使用。但为了不产生歧义，当描述“导联”时一般是指脑电帽电极的布局(可参见图1)，而描述“电极”时一般是指本发明的装置的部件。
61.本发明的高密脑电图帽
62.图1示出了本发明的高密脑电图64导联的布局，其中a1和a2是对应颅骨乳突的乳突导联。
63.图2图示了本发明的高密脑电图帽的一个实施方案，包括帽体1、电极2和下颌托带4。电极1按照图1所示的64导联布局布设在帽体1的内表面。在图2所示的实施方案中，在帽体1上设置有开窗3，开窗3被构造成暴露与f1,fc1,c1导联和/或f2,fc2,c2导联对应的区域。下颌托带4固定连接到帽体1的底部，在使用时，在测试者佩戴高密脑电图帽后，将下颌托带4承托于测试者的下颌部以进一步固定脑电图帽。帽体1上还设置有拉链连接件7，拉链连接件7用于开放或遮蔽开窗3。
64.在如图3所示的实施方案中，设置了两个开窗3，两个开窗3沿帽体1的矢状轴a对称地布置在矢状轴a的左右两侧，且各自暴露与f1,fc1,c1导联和/或f2,fc2,c2导联对应的区域。
65.图4是本发明的高密脑电帽的一个实施方案的局部示意图。如图4所示，高密脑电图帽上设有两个拉链连接件7,7’，分别用于开放或遮蔽两个开窗。在图4中，还图示了脑内脑电测量电极6从切口引出并被闭合的拉链连接件7,7’固定，同时闭合的拉链连接件7,7’遮蔽开窗。从脑电帽引出的脑内脑电测量电极6进一步被固定部件5固定，外挂的脑内脑电测量电极6可以连接到脑电采集设备以采集脑深部核团电信号。
66.脑深部电刺激手术切口通常较为固定，如图5所示，该切口位于冠状缝前旁开3-4cm，向前延伸约6-8cm。发明人经过测量发现该手术切口与f1、fc1、c1以及右侧的f2、fc2、c2导联位置重叠。因此，在本发明中，开窗的形状不受限制，只要它仅暴露与f1,fc1,c1导联和/或f2,fc2,c2导联对应的区域即可，在图2-4中所示的实施方案中，开窗为长方形，长边的长度一般可以设为8-10cm，短边的长度一般可以设为2-3cm。
67.本发明的头皮和脑内脑电信号同步采集装置和方法
68.图6是本发明的头皮和脑内脑电信号同步采集装置的一个实施方案的结构框图。如图6所示，头皮和脑内脑电信号同步采集装置包括高密脑电图帽、脑内测量电极和信号处理装置，高密脑电图帽的电极与脑内测量电极与信号处理装置电连接。在本发明中，脑电测量电极被配置成被布置在脑内用于采集脑内脑电信号，其中所述脑内脑电信号包括大脑皮层或深部核团的脑电信号。
69.在本实施方案中，信号处理装置至少可以包括：1)接收模块；2)头皮信号补偿模块；3)头皮信号合并模块；和4)输出模块。优选地，信号处理装置还可以包括5)脑电信号放大模块和6)脑电信号预处理模块。
70.图7示出了本发明的头皮和脑内脑电信号同步采集装置的一个实施方案中的信号处理流程图。
71.s1.通过高密脑电图帽采集测试者的原始头皮脑电信号，并通过脑内测量电极采集脑内脑电信号；
72.s2.接收模块接收由高密脑电图帽的电极采集的原始头皮脑电信号和由脑内脑电测量电极采集的脑内脑电信号；
73.s3.头皮信号补偿模块根据高密脑电帽电极采集的原始头皮脑电信号重建f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的信号作为所述f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的补偿信号；
74.s4.头皮信号合并模块将原始头皮脑电信号和由所述头皮信号补偿模块重建的f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的补偿信号合并作为经补偿的完整头皮脑电信号输出；
75.s5.输出模块将所述经补偿的完整头皮脑电信号作为头皮脑电信号和脑内脑电信号一起发送至脑电分析系统进行后续分析。
76.在本发明中，步骤s3中的信号重建可以通过平均法或采用球面曲面法和脑正电模型来进行。
77.如果不需要特别精确的信号，可以采用平均法来获得f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的补偿信号，即利用f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联中各个导联周围的2个或者4个导联的平均值来代替该导联的信号值。在一个实施方案中，对应f1导联的脑电信号可以用从f3和fz电极采集的原始信号平均获得；对应fc1导联的脑电信号可以用从fc3和fcz电极采集的原始信号平均获得；对应c1导联的信号可以用从c3和cz电极采集的原始信号平均获得；对应f2导联的脑电信号可以用从f4和fz电极采集的原始信号平均获得；对应fc2导联的脑电信号可以用从fc4和fcz电极采集的原始信号平均获得；对应c2导联的脑电信号可以用从c4和cz采集的原始信号平均获得。
78.由于人体头部是球体状，因此重建信号也可以利用球面曲面法和脑正电模型来完成，此步骤可以借助eeglab,mne，fieldtrip脑电工作包中的内置相关函数工具来完成。具体过程可以为：首先提取不包括乳突电极的56个电极所采集的原始头皮脑电信号，根据所述56电极的分布坐标重建62个脑电导联的信号，然后从中获得对应f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的信号作为f1,fc1,c1，f2,fc2,c2导联的信号的补偿信号。
79.在一个优选实施方案中，除了获得经补偿的完整头皮脑电信号以外，s4步骤还可以包括对脑电信号进行放大和预处理从而获得经放大和预处理的脑电信号的步骤，其中所述脑电信号可以包括头皮脑电信号和/或脑内脑电信号。由于脑电信号相对于头皮脑电信号较弱且噪声大，因此优选对脑内脑电信号进行放大和预处理的脑电信号。如图7中所示，脑内脑电信号可以经放大和预处理再经输出模块输出到脑电分析系统，其中所述预处理包括滤波、降噪和去除伪迹等。
80.实施例
81.本发明的头皮和脑内脑电信号同步采集装置可以配合dbs使用，实现头皮和脑内脑电信号的同步采集。例如，将dbs电极记录到的脑内信号与头皮脑电信号进行同步分析，可用于动态反馈运动障碍病及癫痫患者病情，或评价dbs刺激的疗效。
82.下面结合实施例简单说明本发明的头皮和脑内脑电信号同步采集装置在dbs术中的使用方法。
83.准备期及手术期：对测试者(例如，帕金森病患者)进行影像学检查(例如ct扫描、磁共振成像等方法)，根据影像学结果确定需要手术的靶点(例如，丘脑底核)，进行电极植入术，在靶点处放置dbs电极6。在测试者的靶点处放置电极后，结合术中电生理记录的信号和临时电刺激时疗效的改善程度，确定靶点最佳植入位置。随后将dbs电极6从切口引出，进入电极连线外挂期。
84.外挂无刺激期:
85.测试者佩戴本发明的高密脑电图帽，将从颅顶切口(参见图5)引出的dbs电极穿过本发明的高密脑电图帽的开窗，拉上拉链将一个或多个dbs电极固定在开窗的一侧或两侧，并利用固定部件5将dbs电极6的延长导线固定在帽体1上。
86.实时采集脑内靶点的所有触点处产生的脑电生理信号(包括，但不限于，脑神经元电信号、局部场电位信号、脑深部阻抗信号等)，同时实时采集头皮脑电信号。在无需精确还原原始信号时(如在临床上对脑电波形进行肉眼观察)，可通过平均法进行初步的信号重建。在需要精确还原原始信号时(如分析深部脑电生理信号和头皮脑电生理信号功能连接)，需通过球面曲面法和脑正电模型来完成信号重建。重建后的脑内脑电信号可以经放大和预处理再经输出模块输出到脑电分析系统，其中所述预处理包括滤波、降噪和去除伪迹等。同时，将头皮脑电信号与靶点的脑深部电信号进行功能连接的分析(如相干，coherence，c)。综上，能动态展示测试者(例如，帕金森病患者)的脑电变化情况，对于症状的监控和治疗有临床意义。
87.外挂刺激期：
88.在dbs刺激前，测试者佩戴本发明的高密脑电图帽，将从颅顶切口(参见图5)引出的dbs电极穿过本发明的高密脑电图帽的开窗，拉上拉链将一个或多个dbs电极固定在开窗的一侧或两侧，并利用固定部件5将dbs电极6的延长导线固定在帽体1上。
89.对dbs电极施加刺激信号，对靶点进行刺激(如130hz,60μs，1.5v)，通过去除刺激伪迹的硬件和算法，去除刺激伪迹后，实时采集和分析流程同外挂无刺激期，能动态展示测试者(例如，帕金森病患者)的不同刺激模式下脑电变化情况，对于症状的监控和治疗有临床意义。
90.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。